본 연구에서는 중 소형 SOFC에 적용할 수 있는 연료 변환 시스템으로 자체 기동 및 독립운전이 가능한 천연가스 자열개질(ATR) 반응기를 $10Nm^3/hr$급으로 개발하고자한다. 설계된 천연가스 자열개질기는 자열개질 촉매를 코팅한 금속 모노리스형 촉매체를 반응기 내에 장착함으로써 반응열을 신속하게 제거 또는 공급할 수 있는 시스템으로 구성되었다. 이는 금속 모노리스의 뛰어난 열전도 능력에 의해 반응기 내의 촉매층 전체 온도 분포를 균일하게 유지할 수 있는 저에너지형 자열개질 반응기이다. 또한 빠른 기동 특성을 실현하기 위하여 전기 발열식 촉매체(EHC ; Electically Heated Catalyst)를 장착한 start-up 시스템을 적용하여 천연가스 자열개질 반응기의 신속한 기동과 장치 간편화를 실현하였으며, 합성 syngas의 배열 회수를 위한 최적 열교환 시스템을 설계/적용함으로써 에너지 효율 향상을 도모하였다. 이와 같은 촉매 및 구조 시스템을 가지는 천연가스 자열개질 반응용 소형 연료변환 시스템을 원통형의 이중관 구조로 구성하고, 독립운전 모드로 개발함으로써 소형 SOFC의 연료 변환장치의 적용에 용이하게 하고자 한다.
Solid oxide fuel cell(SOFC) has high fuel flexibility due to its high operating temperatures. Hydrocarbonaceous fuels such as diesel has several advantages such as high energy density and established infrastructure for fuel cell applications. However diesel reforming has technical problems like coke formation in a reactor, which results in catastrophic failure of whole system. Performance degradation of diesel autothermal reforming (ATR) leads to increase of undesirable hydrocarbons at reformed gases and subsequently degrades SOFC performance. In this study, we investigate the degradation of SOFC performance(OCV, open circuit voltage) under hydrocarbon(n-Butane) feeds and characteristics of diesel performing under various ratios of reactants($H_2O/C,\;O_2/C$ molar ratios) for improvement of SOFC performance. Especially we achieved relatively high performance of diesel ATR under $H_2O/C=0.8,\;O_2/C=3$ condition.
Solid oxide fuel cells (SOFCs), as high-temperature fuel cells, have various advantages. In some merits of SOFCs, high temperature operation can lead to the capability for internal reforming, providing fuel flexibility. SOFCs can directly use CH4 and CO as fuels with sufficient steam feeds. However, hydrocarbons heavier than CH4, such as ethylene, ethane, and propane, induce carbon deposition on the Ni-based anodes of SOFCs. In the case of the ethylene steam reforming reaction on a Ni-based catalyst, the rate of carbon deposition is faster than among other hydrocarbons, even aromatics. In the reformates of heavy hydrocarbons (diesel, gasoline, kerosene and JP-8), the concentration of ethylene is usually higher than other low hydrocarbons such as methane, propane and butane. It is importatnt that ethylene in the reformate is removed for stlable operation of SOFCs. A new methodology, termed post-reforming was introduced for removing low hydrocarbons from the reformate gas stream. In this work, activity tests of some post-reforming catalysts, such as CGO-Ru, CGO-Ni, and CGO-Pt, are investigated. CGO-Pt catalyst is not good for removing ethylene due to low conversion of ethylene and low selectivity of ethylene dehydrogenation. The other hand, CGO-Ru and CGO-Ni catalysts show good ethylene conversion, and CGO-Ni catalyst shows the best reaction selectivity of ethylene dehydrogenation.
Diesel autothermal reforming (ATR) is a chemical process to produce hydrogen for fuel cell applications. Several previous studies were carried out to identify technical issues in diesel reforming. It is hard to vaporize diesel due to its high boiling points. Liquid droplets of diesel result in inhomogeneous fuel mixing with other reactants such as $O_2\;and\;H_2O$, which leads to reduce the reforming efficiency and make undesired coke in reactor. To solve the fuel delivery issue, we applied an ultrasonic device as a fuel injection system. Ultrasonic injector (UI) remarkably enhanced the reforming efficiency. This paper will present the reforming results using UI. And we will discuss about atomization effects of diesel on autothermal reforming reaction.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.30
no.11
s.254
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pp.1123-1130
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2006
This study discusses about research efforts of hydrogen generation from hydrocarbon(e.g., diesel, gasoline, natural gas, and LPG), especially, butane reforming by using Autothermal Reforming Reaction (ATR) technology. Several catalysts were selected for butane ATR. Thermodynamic reactor conditions (temperature, $O_2$/C, S/C) are varied and reforming characteristics of 2 catalysts (Pt and Rh on ceramic supports) and 1 commercial catalyst (FCR-HC35) have been examined. To understand reaction behaviors in an ATR reactor comprehensively, temperature profiles of reactor were observed. By mass transfer limitation, fuel conversion decreases when GHSV increases. Significant temperature variation along the reactor was observed and it was mainly due reaction kinetics difference between exothermic oxidation and endothermic reforming reaction.
This study introduces the system layout and control strategy necessary to start and operate a fuel processor in a wide range of temperatures where a gasoline was selected as the fuel of fuel processor considering logistic support of Korea Army. The autothermal reformig(ATR) catalyst is heated to light-off temperature by combustion method in the initial stage. In order to ignite the gasoline and air mixture stably, the glow plug is installed after ATR catalyst. When the catalyst is increased to light-off temperature, the reformer is operated from initiation to steady state conditions as follows: Partial oxidation(POX) mode, partial ATR mode, full ATR mode. Finally the start-up and control strategy is validated by the operational test of gasoline fuel processor at low and room temperature. As a result the gasoline fuel processor is able to start-up within 40 min and to produce the reformate gas which has 37 ~ 42 vol.%(dry basis) of $H_2$ and 0.3 vol.% of CO.
The autothermal reforming of methane to syngas has been carried out in a reactor charged with both a Ni (15 wt%)-Ru (1 wt%)/$Al_2O_3$-MgO metallic monolith catalyst and an electrically-heated convertor (EHC). The standalone type reactor has a start-up time of less than 2 min with the reactant gas of $700^{\circ}C$ fed to the autothermal reactor. The $O_2/CH_4$ and $H_2O/CH_4$ ratio governed the methane conversion and temperature profile of reactor. The reactor temperature increased as the reaction shifted from endothermic to exothermic reaction with decreasing $H_2O/CH_4$ ratio. Also the amount of $CO_2$ in the products increases with increasing $H_2O/CH_4$ ratio due to water gas shift reaction. The 97% of $CH_4$ conversion was obtained and the reactor temperature was maintained $600^{\circ}C$ at the condition of $GHSV=10,000\;h^{-1}$ and feed ratio ($H_2O/CH_4=0.6$ and $O_2/CH_4=0.5$). In this condition, the maximum flow rate of the syngas generated from the reactor charged with 170 cc of the metallic monolith catalyst is $0.94\;Nm^3/h$.
The autothermal reforming reaction of methane was investigated to produce hydrogen with $Ni/CeO_2-ZrO_2$ catalysts. Alumina-coated honeycomb monolith was applied in order to obtain high catalytic activity and stability in autothermal reforming of methane. Metallic monolithic catalyst showed better methane conversion than that of powder type at high reaction temperature. It was confirmed that $H_2O/CH_4/O_2$ ratio was important factor in autothermal reforming reaction. $H_2$ yield was increased as $H_2O/CH_4$ ratio increased. Methane conversion was improved as $O_2/CH_4$ ratio was increased, whereas, the yield of $H_2$ was decreased. The catalytic activity for $Ni/CeO_2-ZrO_2$ catalyst with 0.5 wt% Ru loading was improved at low reaction temperature.
Diesel is an excellent candidate fuel for fuel cell applications due to its high hydrogen density and well-established infrastructure. But, it is hard to guarantee desirable performance of diesel reformer because diesel reforming has several problems such as sulfur poisoning of catalyst and carbon deposition. We have been focusing on diesel autothermal reforming(ATR) for substantial period. It is reported that ATR of diesel has several technical advantages such as relatively high efficiency and fuel conversion compared to steam reforming(SR) and partial oxidation(POX). In this paper, we investigate characteristics of diesel reforming under various ratios of reactants(oxygen to carbon ratio, steam to carbon ratio) for improvement of reforming performances(high reforming efficiency, high fuel conversion, low carbon deposition). We also exhibit calculated heat balance of autothermal reformer at each condition to help thermal management of SOFC system.
In this paper, numerical investigation has been carried out to study performance of methane autothermal reformer and dynamic behavior for light-off under various operating conditions. In order to simulate the given problems, numerical methods are incorporated using finite-volume method. In addition, porous medium approach is accepted because the catalytic phenomena occur in porous media. Also, start-up issue is significant in autothermal reformer although the reaction is marginally exothermic. Thus, in this study transient behavior has been also investigated to find out optimal operating conditions for start-up.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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